滑移隔震結(jié)構(gòu)設(shè)置連接摩擦阻尼器的地震反應(yīng)研究

鄒 爽，井上范夫，五十子幸樹(shù)

（1.廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣州 510006；2.日本東北大學(xué)工學(xué)研究科，宮城 仙臺(tái) 9808579；3.日本東北大學(xué)災(zāi)害科學(xué)國(guó)際研究所，宮城 仙臺(tái) 9808579）

滑移隔震結(jié)構(gòu)設(shè)置連接摩擦阻尼器的地震反應(yīng)研究

鄒 爽1，井上范夫2，五十子幸樹(shù)3

（1.廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣州 510006；2.日本東北大學(xué)工學(xué)研究科，宮城 仙臺(tái) 9808579；3.日本東北大學(xué)災(zāi)害科學(xué)國(guó)際研究所，宮城 仙臺(tái) 9808579）

針對(duì)罕遇地震作用下，滑移隔震結(jié)構(gòu)滑移量過(guò)大控制力不足的問(wèn)題，提出了帶有連接部件，控制滑移隔震結(jié)構(gòu)過(guò)大滑移量的被動(dòng)控制裝置-連接摩擦阻尼器。研究滑移隔震結(jié)構(gòu)附加連接摩擦阻尼器時(shí)的地震反應(yīng)情況，并通過(guò)實(shí)際算例分析表明：滑移隔震結(jié)構(gòu)附加連接摩擦阻尼器能夠在不削弱滑移隔震支撐對(duì)中小地震控制效果的基礎(chǔ)上，有效地控制大震以及罕遇地震作用時(shí)，隔震層的最大滑移量和上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)加速度。驗(yàn)證了滑移隔震結(jié)構(gòu)附加連接摩擦阻尼器的有效性和適用性。

基礎(chǔ)隔震，滑移隔震，摩擦阻尼器，地震反應(yīng)，滑移

0 前言

基礎(chǔ)隔震技術(shù)是近年來(lái)一種發(fā)展較快的抗震技術(shù)[1-6]。因其經(jīng)濟(jì)、適用和安全可靠的抗震控制措施，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的工程應(yīng)用和發(fā)展?；A(chǔ)隔震技術(shù)是基于耗能和濾波原理來(lái)阻斷或減少地震波向上部結(jié)構(gòu)傳播的被動(dòng)控制系統(tǒng)[7]。其中，基礎(chǔ)滑移隔震技術(shù)因其具有簡(jiǎn)單易行、造價(jià)低廉受地面運(yùn)動(dòng)頻率的影響較小，幾乎不發(fā)生共振現(xiàn)象；發(fā)生滑移位移后，不影響豎向承載能力、減小上部結(jié)構(gòu)的層間相對(duì)位移和內(nèi)力等優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛的認(rèn)可和長(zhǎng)足的發(fā)展，形成了結(jié)構(gòu)控制的新趨勢(shì)?；A(chǔ)滑移隔震的基本原理是在建筑物的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置滑移隔震裝置及限位裝置組成的隔震層；當(dāng)發(fā)生一定強(qiáng)度的地震時(shí)，上部結(jié)構(gòu)相對(duì)于基礎(chǔ)整體水平滑動(dòng)，通過(guò)隔震層的滑動(dòng)隔離傳向上部的地震力，限制由基礎(chǔ)傳遞到上部結(jié)構(gòu)的摩擦力及輸入上部結(jié)構(gòu)的地震能量，通過(guò)隔震層的位移變形，大大減小了上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)[8-13]。但是，建筑物底部提供的摩擦力有限，當(dāng)發(fā)生超過(guò)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的大地震時(shí)，滑移隔震建筑的隔震層會(huì)發(fā)生過(guò)大的位移，甚至導(dǎo)致隔震主體結(jié)構(gòu)與周圍維護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞破壞[14-16]。2011年日本東北大地震中，觀測(cè)到的最大隔震層位移達(dá)到0.335 m，超過(guò)設(shè)計(jì)中規(guī)定的0.300 m的隔震層預(yù)留安全距離[17]。滑移量過(guò)大，對(duì)于滑移隔震系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其負(fù)面問(wèn)題就顯得特別關(guān)鍵，從而造成了滑移隔震體系難以推廣應(yīng)用。

本文旨在分析滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震層滑移量過(guò)大導(dǎo)致負(fù)面問(wèn)題產(chǎn)生的原因，介紹用于控制過(guò)大滑移量產(chǎn)生的連接摩擦阻尼器，研究滑移隔震結(jié)構(gòu)附加連接摩擦阻尼器時(shí)的地震反應(yīng)情況，并通過(guò)實(shí)際算例驗(yàn)證滑移隔震結(jié)構(gòu)附加連接摩擦阻尼器的有效性和適用性。

1 隔震層的衰減特性

1.1 模型的建立

隔震體系的力學(xué)模型近似描述在一定條件下隔震體系的動(dòng)力特性。隔震體系模型化的主要依據(jù)是結(jié)構(gòu)的整體變形特點(diǎn)、彈塑性動(dòng)態(tài)分析的研究經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果。本節(jié)主要研究隔震層響應(yīng)位移與隔震層控制效果的關(guān)系。由于隔震建筑上部結(jié)構(gòu)的層間位移相對(duì)于隔震層位移而言很小，因此，本節(jié)研究中忽略上部結(jié)構(gòu)的影響，將隔震層上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)系，選用1個(gè)自由度模型，見(jiàn)圖1，并對(duì)該模型進(jìn)行如下假定：

（1）將隔震體系上部結(jié)構(gòu)視為線彈性體。

（2）僅考慮水平方向地震作用，結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切變形。

（3）忽略動(dòng)力作用對(duì)建筑基底與基礎(chǔ)之間的摩擦系數(shù)的影響，將其視為常量，并符合庫(kù)倫摩擦力定律。

圖1 分析模型Fig.1 Analysis model

1.2 隔震層的衰減特性

如圖1所示的滑移隔震分析模型中，隔震層由滑移隔震支撐和恢復(fù)力材料構(gòu)成。地震發(fā)生時(shí)，安裝在隔振層中的滑移隔振支撐和恢復(fù)力材料發(fā)揮衰減作用。假定滑移隔震支撐的初始剛度無(wú)限大，隔震層的衰減特性可用剛塑性恢復(fù)力模型表示，見(jiàn)圖2，基于此可求得隔震層對(duì)整體結(jié)構(gòu)的等價(jià)衰減系數(shù)heq。

圖2 滑移隔震層剛塑性模型Fig.2 Rigid-plastic model of slip isolation layer

將式（2）、（3）、（4）、（5）帶入式（1）可得

根據(jù)式（6）可繪制等價(jià)黏性衰減系數(shù)與隔震層位移的變化關(guān)系，見(jiàn)圖3。由圖可知隔震層的等價(jià)黏性衰減系數(shù)隨著隔震層位移變大而逐漸降低。因此，隨著隔震層位移的增大，滑移隔震支撐對(duì)整體的控制作用不足的缺陷也被放大，甚至?xí)鹕喜拷Y(jié)構(gòu)與周圍維護(hù)結(jié)構(gòu)之間發(fā)生碰撞破壞。這也是造成了滑移隔震體系難以推廣應(yīng)用的主要原因之一。

2 連接摩擦阻尼器的提出[18]

為了彌補(bǔ)超過(guò)設(shè)防的罕遇大地震作用時(shí)，滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震層控制力不足的缺陷，一味地增大隔震層的衰減性能，又會(huì)增大上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)加速度，降低滑移隔震在中小地震作用下的控制性能。針對(duì)這一矛盾，2009年日本東北大學(xué)井上教授等人研發(fā)了一種帶有連接部件，控制罕遇地震作用時(shí)，滑移隔震層發(fā)生過(guò)大位移的被動(dòng)控制裝置-連接摩擦阻尼器（以下稱FDC），見(jiàn)圖4。

圖3 隔震層等價(jià)衰減系數(shù)Fi.3 Equivalent attenuation coefficient isolation layer

FDC由摩擦和連接兩部分組成。摩擦部分由內(nèi)部摩擦拉桿、摩擦套筒以及兩側(cè)螺旋彈簧構(gòu)成。內(nèi)部摩擦拉桿和摩擦套筒之間的相互摩擦產(chǎn)生摩擦力?？梢匀藶檎{(diào)節(jié)摩擦套筒緊箍?jī)?nèi)部摩擦拉桿的程度來(lái)調(diào)節(jié)摩擦力的大小。兩側(cè)螺旋彈簧提供連接時(shí)的彈性初始剛度，緩沖由于連接而產(chǎn)生的沖擊作用。連接部分是由外部拉桿和內(nèi)部摩擦拉桿構(gòu)成。FDC一旦連接非人力作用連接不再斷開(kāi)。阻尼器的連接距離可人為設(shè)定。

圖4 FDC構(gòu)造圖Fig.4 Structure of FDC

FDC在整個(gè)工作過(guò)程中分為2個(gè)階段。

（1）連接前：FDC變形小于設(shè)定連接距離Ls，F(xiàn)DC不發(fā)揮作用，見(jiàn)圖5a。

（2）連接后：當(dāng)FDC的變形超過(guò)設(shè)定連接距離Ls時(shí)，見(jiàn)圖5b，外部拉桿和內(nèi)部摩擦拉桿發(fā)生連接，并傳遞內(nèi)部摩擦拉桿上產(chǎn)生的摩擦力。當(dāng)內(nèi)部摩擦拉桿上產(chǎn)生力的作用時(shí)，首先摩擦部分的2根螺旋彈簧發(fā)生伸縮，發(fā)揮彈性恢復(fù)力的作用。當(dāng)內(nèi)部摩擦拉桿上產(chǎn)生的作用力大于摩擦部分設(shè)定的摩擦力Fd時(shí)，摩擦套筒和內(nèi)部摩擦拉桿之間開(kāi)始發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生摩擦力?；诖斯ぷ髟恚現(xiàn)DC具有如圖6所示的完全彈塑性的恢復(fù)力特征，并能夠緩解由于FDC發(fā)生連接而產(chǎn)生的沖擊作用，抑制高頻振動(dòng)的響應(yīng)。

3 連接摩擦阻尼器附加振動(dòng)反應(yīng)算例分析

通過(guò)算例分析連接摩擦阻尼器附加振動(dòng)反應(yīng)特征，目的是探討連接摩擦阻尼器對(duì)滑移隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的控制效果，進(jìn)而證明連接摩擦阻尼器的有效性和適用性。

3.1 計(jì)算模型

取某4個(gè)質(zhì)點(diǎn)滑移隔震體系分析，見(jiàn)圖7。各質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量、水平側(cè)移剛度，見(jiàn)表1。上部結(jié)構(gòu)的黏性衰減系數(shù)均為3%，隔震層預(yù)留安全距離0.35 m?；聘粽鹬蔚哪Σ料禂?shù)為0.04，固有周期為4.06 s。

解析模型的振動(dòng)特性見(jiàn)圖8。圖8a所示為解析模型的振型系數(shù)，圖8b所示為各階振型的參與系數(shù)。FDC的剛度Kd=1012.7 kN/m，摩擦力Kd=34.3 kN，設(shè)定連接距離Ls=0.104 m。模型的建立滿足1.1節(jié)中的假定。

圖5 FDC構(gòu)造圖Fig.5 FDC mechanism

圖6 FDC的力學(xué)模型Fig.6 Restoring force model of the FDC

圖7 解析模型Fig.7 Analytical model

3.2 輸入地震動(dòng)

表1 解析模型各層的質(zhì)量、剛性Table 1 The quality,rigidity of each layer of analytical model

圖8 振動(dòng)特性Fig.8 Mode characteristics

地面輸入激勵(lì)見(jiàn)表2。輸入地震動(dòng)采用4條實(shí)測(cè)地震波和具有相應(yīng)地震特征的5條合成地震波。5條合成地震波是將Ⅱ類場(chǎng)地的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（5%阻尼比）賦予相應(yīng)實(shí)測(cè)地震記錄的相位特性得到的。將實(shí)測(cè)地震波中的El-Centro波、八戸波、Taft波分別調(diào)幅為PGV=0.25 m/s作為多遇地震來(lái)考慮，PGV=0.50 m/s作為設(shè)防地震來(lái)考慮，PGV=0.75 m/s作為罕遇地震來(lái)考慮。5條合成地震波作為大震來(lái)考慮。2011年采集到的東日本大地震MYG006原始地震記錄作為罕遇地震來(lái)考慮。圖9所示為5條合成地震波的加速度反應(yīng)譜。以下的解析中，分別輸入以上所述多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震動(dòng)進(jìn)行時(shí)程響應(yīng)分析，對(duì)各地震動(dòng)輸入情況下結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)值進(jìn)行評(píng)價(jià)。地震時(shí)程響應(yīng)分析采用Newmark-β法中β=1/4的平均加速度法。

圖9 擬加速度反應(yīng)譜Fig.9 Acceleration response spectrum of artificial ground motion

3.3 解析結(jié)果

3.3.1 隔震層等價(jià)黏性衰減系數(shù)

圖10所示為按照公式（6）忽略上部結(jié)構(gòu)多質(zhì)點(diǎn)的影響，將隔震層上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)系求得的滑移隔震結(jié)構(gòu)和滑移隔震結(jié)構(gòu)附加FDC2種情況下，隔震層的等價(jià)黏性衰減系數(shù)與隔震層位移的關(guān)系。由圖10可知，當(dāng)隔震層位移達(dá)到FDC連接距離0.10m時(shí)，F(xiàn)DC開(kāi)始發(fā)揮作用，隔震層的等價(jià)黏性衰減系數(shù)由原來(lái)的39%增加到49%。在隔震層與周圍維護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留安全距離0.35m處，隔震層的黏性衰減系數(shù)增加了60%。

表2 輸入地震動(dòng)Table 2 Input ground motion

圖10 等價(jià)黏性衰減系數(shù)-隔震層位移關(guān)系Fig.10 The relationship between equivalent viscous damping coefficient and seismic isolation layer displacement

3.3.2 結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)值

各地震輸入時(shí)滑移隔震結(jié)構(gòu)和滑移隔震結(jié)構(gòu)附加FDC2種情況下，結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)值如表3所示。中震作用時(shí)，F(xiàn)DC沒(méi)有發(fā)生連接，結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)值沒(méi)有變化。僅靠滑移隔震支撐就能起到較好的位移和加速度控制效果。大震作用時(shí)，F(xiàn)DC開(kāi)始發(fā)揮作用，結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)位移被減小了24.7%，但是作為犧牲上部結(jié)構(gòu)的最大加速度被放大了18.3%。罕遇地震作用時(shí)，由于滑移隔震支撐控制力不足，隔震層最大響應(yīng)位移超過(guò)了隔震層與周圍維護(hù)結(jié)構(gòu)之間的預(yù)留安全距離，存在著與周圍維護(hù)結(jié)構(gòu)之間發(fā)生碰撞破壞的危險(xiǎn)。而隔震層附加了FDC后，不僅隔震層最大響應(yīng)位移被降低了13.0%，上部結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)加速度也被減小了19.4%。

3.3.3 時(shí)程響應(yīng)曲線

圖11所示為2011年?yáng)|日本大地震輸入時(shí)，滑移隔震結(jié)構(gòu)和滑移隔震結(jié)構(gòu)附加FDC2種情況下，結(jié)構(gòu)的時(shí)程響應(yīng)曲線。由圖可知，在第87.5s時(shí)刻，隔震層的最大響應(yīng)位移達(dá)到0.10 m，F(xiàn)DC發(fā)生連接開(kāi)始發(fā)揮作用。此后，便與滑移隔震支撐共同發(fā)揮作用，不但將隔震層的最大響應(yīng)位移控制在安全距離之內(nèi)，頂層和隔震層的響應(yīng)加速度也被有效地抑制。

表3 最大響應(yīng)值Table 3 Analysis result

圖11 地震響應(yīng)時(shí)程曲線（東北大地震波輸入）Fig.11 Time history

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)滑移隔震結(jié)構(gòu)隨著隔震層位移量的增大，對(duì)整體的控制效果不理想的問(wèn)題，本文介紹了用于控制滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震層過(guò)大滑移量的連接摩擦阻尼器的構(gòu)造及工作原理，并通過(guò)實(shí)際算例分析表明，通過(guò)在滑移隔震層附加合適的連接摩擦阻尼器，能夠在不削弱滑移隔震對(duì)中小地震控制性能的基礎(chǔ)上，有效地控制大震和罕遇地震作用時(shí)，隔震層過(guò)大位移和上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度。驗(yàn)證了在滑移隔震結(jié)構(gòu)隔震層附加連接摩擦阻尼器的有效性和適用性。

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Research on Seismic Responses of Friction Damper with Coupling Mechanism for Sliding Isolation Structures

ZOU Shuang1， INOUE Norio2， IKAGO Kohju3

（1.Earthquake Engineering Research Test Center， Guangzhou University， Guangzhou 510405 China；2.School of Engineering， TOHOKU University， Sendai 9808579， Japan； 3.International Research Institute of Disaster Science， TOHOKU University， Sendai 9808579， Japan）

In order to solve the problem， that slip excessive and inadequate control of sliding isolation structure when rare earthquake happen,a new device for controlling seismic displacement of sliding isolation structure by the means of a friction damper with coupling mechanism is created.Earthquake responses of sliding isolation structure with friction damper with coupling mechanism was researched.And through practical case study，that sliding isolation structure with friction damper with coupling mechanism can not weaken the control effect of sliding support for small earthquake，while controlling the maximum displacement of slip and the maximumacceleration of the upper structure for rare earthquake effectively.Verify that the sliding isolation structure with friction damper with coupling mechanism is effective and applicable.

Base-isolated structure； Sliding isolation； Friction damper； Seismic response； Sliding

TU311.3

A

1001-8662（2017）02-0086-07

10.13512/j.hndz.2017.02.014

鄒 爽，井上范夫，五十子幸樹(shù).滑移隔震結(jié)構(gòu)設(shè)置連接摩擦阻尼器的地震反應(yīng)研究[J].華南地震，2017，37（2）：86-91.[ZOU Shuang，INOUE Norio，IKAGO Kohju.Analysis and design of the combined isolation in high-rise frame core tube structure near field earthquake zone of high intensity[J].South china journal of seismology，2017，37（2）：86-91.]

2017-03-23

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016A030310255）

鄒爽 （1984-），女，博士，助理研究員，從事建筑減隔震研究。

E-mail：zoushuang_2015@163.com.